運動生物力學的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、運動生物力學的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1、 運動生物力學的歷史回顧1.1 運動生物力學的概念：運動生物力學是研究人體運動力學規(guī)律的科學，它是體育科學的重要組成部分。運動生物力學研究體育運動中人體所進行的各種體育動作，以及在各種不同條件下，人體產(chǎn)生運動和運動狀態(tài)改變的力學和生物學原因。1.2 運動生物力學學科的起源和形成：運動生物力學學科的形成時間并不長，但是人類注意、觀察、分析、 研究人體和生物的運動的歷史卻非常悠久。運動生物力學史上3個特別重要的事件是：1）1877 年美國攝影師麥布里奇 （Muybridge） 用 24架照像機拍攝了馬奔跑動作的連續(xù)照片，其后又拍攝了人體走、跑等動作的連續(xù)照片，

2、從而奠定了影像測量與分析的方法基礎(chǔ)。2）20 世紀初德國解剖學家布拉溫 （B ne） 、菲舍爾（Fischer） 采用尸體解剖測量了人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)，并基于此建立了第1個人體質(zhì)量分布模型，從而奠定了人體運動定量分析的基礎(chǔ)。3）20 世紀30年代英國生理學家希爾 （Hil1） 測量了肌肉收縮張力與速度的關(guān)系，并基于熱力學原理建立了與實驗結(jié)果相當一致的希爾方程。古希臘哲學家亞里士多德（ Aristotle, 公元前384 322） 就已關(guān)注人和動物運動。曾經(jīng)作過將“物理學”與生物學研究結(jié)合在一起的著名演說。加侖 （ C. Galenus, 公元前131-200, 古羅馬解剖學家） 通過動物實驗證實

3、了由腦發(fā)出沖動, 肌肉緊張收縮產(chǎn)生關(guān)節(jié)運動，區(qū)分了原動肌和對抗肌，使用了動關(guān)節(jié)與不動關(guān)節(jié)的術(shù)語。達芬奇（Leonardo DaVinci ， 1452-1519） 是著名的畫家, 也是數(shù)學家、力學家和醫(yī)生 , 他從解剖學和力學的角度對人體姿態(tài)進行過詳細的分析。鮑列利 （A. Borelli ， 1608-1679, 意大利數(shù)學家和天文學家）進一步研究了人和動物運動。著有論動物的運動, 他曾探索各種肌肉發(fā)力的數(shù)值, 利用杠桿原理測量人體重心的實驗方案, 指出了人體重心的位置, 提出肌肉的作用符合數(shù)學、力學原理的論點, 并將人體在空間的主動位移動作分為3 種主要運動方式, 即：蹬離支點（ 走、跑、

4、跳） 、推離他體（ 劃行 , 如游泳 ） 、拉引 （ 如攀登 ） 。18 世紀人們發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象，不久“生物電”的概念便被用來解釋人體運動的調(diào)節(jié)功能。伽伐尼（Luigi Galvani,17371798,意大利醫(yī)學家）發(fā)現(xiàn)電刺激會引起肌肉收縮，完成了著名的論文關(guān)于電對肌肉運動的作用（ 1791 ） ， 并得出了動物電與機器電完全一致的重要結(jié)論。1841 年，雷蒙德（Emil Du Bois Reymond, 1818-1896 ，德國生理學家）在前人研究的基礎(chǔ)上確立了肌電測量的方法。生物電的研究導致肌電圖儀的發(fā)明。肌電圖目前已經(jīng)廣泛用來研究運動員運動時肌肉的工作狀況。19 世紀初韋伯兄弟（ Wi

5、helm Weber, Eduard Weber， 德國物理學家和解剖學家）用 1/60s的發(fā)條時鐘計時法, 在研究走的實驗中測量了軀干的傾斜以及垂直運動, 得出提高走速必須減少雙支撐時間的結(jié)論。著有人體運動的力學（ 1836） 1871 年麥布里奇（EadweardMuybridge ） 用 24 臺固定照相機, 拍攝了一匹馬的奔跑狀態(tài)并測量出馬的步長, 四足騰空的現(xiàn)象，其后又拍攝了人的走, 跑等動作的連續(xù)照片。1901 年 , 麥布里奇發(fā)表了運動中的人體的圖像集, 從而奠定了運動生物力學參數(shù)攝影分析測量的方法基礎(chǔ)。為了紀念他對生物力學的貢獻, 從 1987 年第 11 屆生物力學大會開始設(shè)

6、立了“麥布里奇杰出貢獻獎”以表彰在生物力學基礎(chǔ)理論, 研究方法和應(yīng)用研究領(lǐng)域做出突出貢獻的學者。20 世紀初 , 布拉溫 （C. W. Braune） 和菲舍爾（O. Fischer） 用實驗方法測定了人體各環(huán)節(jié)相對重量和人體重心等慣性參數(shù), 這些材料時至今日仍被生物力學理論和實踐廣泛采 用。1916年，阿瑪爾（Amar,法國）研制了第一臺可以測定垂直、水平力的二維測力臺，為動力學分析提供了測試手段。謝切諾夫（I. Sechenov, 1829-1905，俄國生理學家）在所著人體功能運動概論一書中詳盡闡述了“人體運動裝置的結(jié)構(gòu)是骨杠桿 , 產(chǎn)生杠桿運動的是肌肉張力及其神經(jīng)支配”等問題。列斯加夫

7、特（n©Tp<J>paHueBHHJlecr a（i）T, 18371909,俄國教育家、解剖學家、醫(yī)生、體育科學體系的創(chuàng)始者）把人體形態(tài)結(jié)構(gòu)功能與體育動作結(jié)合起來, 著有并講授了身體運動的理論（后更名為體育練習生物力學教程） 。伯恩斯坦（Nikolai Aleksandrovich Bernstain ， 1896 1966，前蘇聯(lián)心理和生理學家） 從 20 世紀 30 年代開始注意用神經(jīng)控制論的觀點來研究人體運動, 著有論動作的結(jié)構(gòu)。他的理論成功地應(yīng)用于康復器械的設(shè)計、運動心理學和蘇聯(lián)宇航員的訓練上。 伯恩斯坦關(guān)于人體動作系和運動行為結(jié)構(gòu)的思想原則, 以及運動感覺反饋

8、修正的理論對運動生物力學的學科發(fā)展具有重要的意義。在此基礎(chǔ)上形成的“動力系統(tǒng)理論”成為目前生物力學的一個可能的突破點。20 世紀 30 年代 , 英國生理學家希爾（A. V. Hill ）取青蛙的縫匠肌為試樣, 通過測量肌肉在縮短過程中的肌張力, 肌縮短速度, 肌肉產(chǎn)生的熱量及肌肉維持攣縮狀態(tài)所需的熱量 , 并按熱力學第一定律建立了與實驗結(jié)果相當一致的希爾方程。他因為肌肉力學的經(jīng)典性工作成就獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。赫胥黎（H. E. Huxley, 1954, 英國生理學家） 提出肌絲滑移學說。20 世紀 40 年代開始的以信息技術(shù)為標志的現(xiàn)代科學技術(shù)革命是運動生物力學學科形成的加速劑。2

9、0 世紀 60 年代微型計算機的誕生為運動生物力學帶來了革命性的變化，帶來了運動生物力學測試儀器本質(zhì)上的進步，促進了這一學科的理論與實踐的不斷融合與發(fā)展。運動生物力學的測量技術(shù)和研究方法2、運動生物力學的研究現(xiàn)狀1.1 1 運動生物力學的現(xiàn)代測量技術(shù)及研究方法：運動生物力學的現(xiàn)代測量技術(shù)，以三維動態(tài)測力、三維高速影像解析、等動肌力測量、多道肌電測量以及它們的同步測量技術(shù)為標志，系統(tǒng)的測量精度已能使人體運動在三維空問建立清晰的力學圖像根據(jù)測最參數(shù)的自然屬性可將生物力學測量技術(shù)分為：運動學參數(shù)測量技術(shù)、動力學參數(shù)測量技術(shù)、人體參數(shù)測量技術(shù)和肌電參數(shù)測量技術(shù)測量技術(shù)的分類也可根據(jù)實驗物理學原理將運動

10、生物力學測量技術(shù)分為：力學、 電學和光學測量技術(shù)力學和電學測量過程，通常需采用接觸測量技術(shù)以測量人體或身體環(huán)節(jié)的運動過程，僅適合在實驗室和訓練中廣泛采用光學測量過程，可采用非接觸測量技術(shù)以測量人體的運動過程，因而可在比賽中廣泛采用運動生物力學的研究方法基本沿用物理學和生物學的研究方法，對于活體研究，物理學方法的不完備性和生物學方法的不充分性已被認識到，牛頓力學理論應(yīng)用于活體有其機械局限性，生物材料的黏彈性理論對于人體運動器系建立本構(gòu)方程還缺乏邊界條件的可靠性，人體運動器系的力學特性的深入研究必然涉及生物學研究領(lǐng)域，如肌肉的張力特性不僅與肌纖維結(jié)構(gòu)、類型有關(guān)，而且還與受神經(jīng)系統(tǒng)控制的生物電特性有

11、關(guān)因此，對人體運動的生物力學研究，需要物理學方法和生物學方法互相滲透、融合適用于機能解剖學、運動生理學和生物化學的生物學研究方法，對于研究生物力學中的人體運動是基本不適用的，惟有 “走出系統(tǒng)”的研究方法，才適合于對人體運動的生物力學研究 11.2 我國運動生物力學的研究現(xiàn)狀：自2O1紀8施代以來，我國運動生物力學的研究領(lǐng)域逐漸擴大，既涉及競技體育，也涉及社會體育，但我國競技體育優(yōu)勢項目所占比重較高，健身、康復等方面的研究相對薄弱。我國運動生物力學研究領(lǐng)域有如下特點：1）肌肉生物力學特性研究是生物力學領(lǐng)域的熱門課題近幾年來，運動醫(yī)學、運動生物力學對肌肉損傷病理、病變及力學特性變化進行了更加深入的

12、研究骨骼肌損傷后的力學特征變化規(guī)律已成為運動生物力學研究的熱點之一探討肌肉損傷的力學機制，認識損傷肌肉恢復過程中的力學變化特征，對預防肌肉損傷和重復性損傷以及損傷肌肉的康復訓練安排等有重要意義2) 競技體育方面的研究仍占相當大的比重，但與以往相比更加注重訓練實踐，其研究結(jié)果能更好地為競技體育服務(wù)側(cè)如，射擊運動中瞄準技術(shù)是關(guān)鍵瞄準雖是一復雜過程、但有規(guī)律可循利用激光瞄準分析系統(tǒng)對優(yōu)秀運動員的瞄準技術(shù)進行量化研究，歸納、 總結(jié)出運動員瞄準技術(shù)的規(guī)律，為訓練提供定量的參考依據(jù)，指導訓練這種方法為我國運動員在世界大賽中取得多枚該項目的金牌起到了關(guān)鍵作用3) 研究內(nèi)容更加廣泛自國家頒布全民腱身計劃綱要以

13、來，大眾健康已成為體育界研究的熱點問題比如， 利用運動生物力學的理論研究正常人體動作結(jié)構(gòu)與運動功能的相互關(guān)系； 研究評價動作指標對人體的健身功能；關(guān)于影響青少年生長發(fā)育因素的研究等運動健身器村、體育科研儀器和體質(zhì)測定儀器的研制也成為熱點課題我國健身器材產(chǎn)品由20世紀 80年代初期模仿照搬國外不適應(yīng)中國人體型特征產(chǎn)品的初級階段，進入到自行開發(fā)引導市場的芨展階段，部分產(chǎn)品現(xiàn)已達到國際水平21.3 運動生物力學面臨的若干基本問題1)運動學習與控制。在運動技能的學習與控制中，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)是通過肌肉收縮力矩的調(diào)節(jié)與控制達到對外力矩和被動的反作用力矩的平衡與適應(yīng)，進而完成或發(fā)展有目的的、高效的、 協(xié)調(diào)的人

14、體動作。然而， 單一肌肉力或肌肉力矩的在體測量是不可能的。不解決這一問題， 運動生物力學離指導運動實踐，尤其是評價與指導肌肉力量訓練尚遠。直接測量面臨生物壁壘的拒測性，間接測量面臨復雜的肌肉功能群協(xié)作與對抗，理論計算則需實驗測量值作為其邊界或約束條件。2) 肌力與肌電關(guān)系。肌力的測量是一個十分經(jīng)典的問題。離體肌肉力學的研究成果已十分豐富， 但離體肌肉力學的研究結(jié)論斷然不可簡單地應(yīng)用于在體。離體意味著肌肉的失神經(jīng)支配， 并藉此可能動搖肌絲滑移學的成立假設(shè)，這也是生物力學與力學的區(qū)別。因此，肌電測量被很多學者嘗試著用來評定肌力，然而， 肌力與肌電間的數(shù)量關(guān)系是很難確定的，不同肌肉問的肌電干擾，肌電

15、幅值與肌力的即時對應(yīng)關(guān)系，我們還基本不清楚。肌電對肌力的影響，即肌肉募集肌電使肌肉收縮的過程，我們雖已有所認識，但其逆過程，即肌力對肌電的影響， 我們還幾乎一無所知。運動控制理論提示，這一逆過程是存在的，這就演繹成為一個因果循環(huán)，即既要用肌電評價肌力，又要將肌力作為肌電的初條件。3)力學傳遞函數(shù)。力學量在人體內(nèi)的傳遞是通過肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)鏈狀系統(tǒng)之間的相互作用完成的。力學傳遞函數(shù)是這類系統(tǒng)的較好描述，但這類函數(shù)是相當復雜的，牽涉到許多材料力學問題。生物力學中 “生理剛化”的目的就是增大傳遞效果，但只在活體狀態(tài)下出現(xiàn)。將傳感器置入關(guān)節(jié)或人工假肢內(nèi)，可以直接測量人體運動時的骨骼應(yīng)力變化。將傳感器固

16、定于關(guān)節(jié)外體表處，可以間接測量關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力變化。然而，真體與假體、直接與間接測量的區(qū)別是顯而易見的。骨骼剛性材料的力學傳遞尚且如此，肌肉柔性材料的力學傳遞則更為復雜，這其中有大量的數(shù)學力學問題有待研究。3、運動生物力學的發(fā)展趨勢1)計算機是運動生物力學發(fā)展的核心運動生物力學的理論研究將偏重于計算方法的準確和簡煉、理論研究的系統(tǒng)I 生和完整性借助電子計算機實現(xiàn)快速精確地測量和實時處理人體運動的各種力學參數(shù)，實現(xiàn)綜合分析和聯(lián)機分析，及實現(xiàn)自動化控制是科技發(fā)展的必然趨勢由于許多實驗不能直接在人體上進行，同時為了對運動效果進行預測，在運動生物力學研究中，已經(jīng)出現(xiàn)了種種模型，隨著電子計算機的普及，模型技

17、術(shù)中的計算量大、復雜和費時的困難已逐步得到解決，因此， 建立各種模型進行模擬試驗是運動生物力學研究方法的又一發(fā)展趨勢中國成年人體質(zhì)的新國家標準已于1 998 年正式頒布，從此我國取得了我們自己的中國正常人體參數(shù)的科學依據(jù)結(jié)束了多年來借用外國人體參數(shù)的歷史，填補了一項重要的空白2) 競技體育方面的研究更加依禎高新技術(shù)運動生物力學的研究將更加重訓練實踐，研究成果要能為競技體育服務(wù)運動測試儀器的專項化是這一發(fā)展方向的具體體現(xiàn)，也是運動生物力學解決體育訓練問題的較為客觀和有效的方法運動生物力學的技術(shù)分析和研究會困研究儀器的發(fā)展而得到相應(yīng)提高, 使研究更加細致、更接近運動實際運動生物力學在很大程度上將依

18、賴于高新技術(shù)和高新村料的創(chuàng)新和發(fā)展，新的材料和新的技術(shù)將使運動生物力學研究的手段和儀器功能得到大幅度提高，因此， 適時運用高新技術(shù)和高新材料來研制生物力學的測試儀器是運動生物力學研究的一個重要課題3) 運動損傷康復的研究將更加深入，而且與運動專項結(jié)臺更加緊密肌肉生物力學已成為熱門課題，對預防運動損傷的研究也將是個熱門課題，但對于分子生物力學方面的研究成果還很少今后，應(yīng)廣泛結(jié)合運動生物力學和生物學、運動生理學、運動醫(yī)學等學科中的研究方法，共同解決人體運動中的有關(guān)問題4) 研究對象更加廣泛運動生物力學研究除繼續(xù)對競技體育進行研究外，還應(yīng)向青少年、老年人、殘疾人的體育運動、軍事技術(shù)動作以及與人體有關(guān)的一些設(shè)備，向非奧運項目延伸將是運動生物力學研究中的一個重要發(fā)展方向5) 學科教學體系將更加完善目前的運動生物力學在學科體系和教材體系上幾乎均沿襲理論力學的框架，而作為一門學科，就有其自身的學科體系和教材體系為完善運動生物力學的學科科學體系，應(yīng)